Aufgabe 3 – Chytridiomykose und Malaria
Die Chytridiomykose, eine weltweit feststellbare Pilzerkrankung bei Amphibien, stört Vorgänge an Nervenzellen und ist daher für einen Rückgang vieler Populationen mitverantwortlich. Das Verschwinden der Amphibien hat wiederum Auswirkungen auf andere Populationen, wovon auch der Mensch beeinflusst sein könnte.
Skizziere und beschrifte den zeitlichen Verlauf eines Aktionspotenzials in einem Spannungs-Zeit-Diagramm.
Erkläre unter Bezugnahme auf deine Skizze die Letalität der Chytridiomykose (M 8).
Leite die interspezifischen Beziehungen auf der Hautoberfläche bestimmter Amphibienarten mit Chytridiomykose ab (M 9).
Erläutere die Regulation der Populationsdichten der Gattung Anopheles durch jeweils einen dichteabhängigen und einen dichteunabhängigen Faktor (M 10).
Diskutiere anhand von fünf Argumenten, die sich auf Pro- und Contra-Argumente verteilen müssen, die These, dass es durch das Auftreten der Chytridiomykose in Mittelamerika eine Erhöhung der Malariafälle beim Menschen gab (M 8, M 9, M 10).
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Amphibien sind durch eine weltweit registrierbare Erkrankung (Chytridiomykose) bedroht, die von einem Pilz (Batrachochytrium dendrobatidis = Bd) ausgelöst wird. Dieser mikrobielle Krankheitserreger wächst in die Hautzellen der Amphibien hinein, entzieht diesen Wasser sowie Nährstoffe und behindert die Aufnahme von Elektrolytsalzen über die Haut. Die Konzentration von Natrium- und Kaliumionen im die Nervenzellen umgebenden Medium nimmt daher bei infizierten Tieren um 20 % - 50 % ab. Die Chytridiomykose hat das Potenzial, zu einem globalen Massensterben von Amphibien zu führen, da die Erkrankung bei bestimmten Arten eine hohe Letalität1 aufweist. Bei mindestens 90 Arten hat die Erkrankung eine Rolle bei deren Aussterben gespielt und hunderte weitere Arten sind durch Chytridiomykose vom Aussterben bedroht, da ihre Populationen um bis zu 90 % eingebrochen sind.
M 9 Mögliche Vergesellschaftungsformen
Auf der Hautoberfläche einiger Amphibienarten kommen Bakterien vor, die antifungale Substanzen produzieren, die das Wachstum von Pilzen hemmen. Die Abbildung 8 fasst das komplexe Beziehungsgefüge zwischen Pilz, Amphibium und Bakterien zusammen.
Abbildung 8: mögliche Vergesellschaftungsformen auf der Hautoberfläche von Amphibien
M 10 Chytridiomykose und Malaria in Mittelamerika
Abbildung 9 zeigt die Ausbreitung der für bestimmte Amphibienarten oft tödlich verlaufenden Chytridiomykose über Teile Mittelamerikas. Auch die für Menschen gefährliche Tropenkrankheit Malaria, die von einzelligen Parasiten ausgelöst und durch den Stich der weiblichen Stechmücken aus der Gattung Anopheles übertragen wird, tritt in der Region auf (siehe Abbildung 10). Ihre Eier legen Stechmücken im Wasser ab, wo auch die Entwicklung der Larven stattfindet, bis diese als ausgewachsene Mücken das Wasser verlassen.
Abbildung 9: Ausbreitung der Chytridiomykose in Costa Rica und Panama. Die Farbverläufe stehen für den vermuteten Erstfall von Chytridiomykose. Die markierten Jahreszahlen stehen für konkrete Nachweise der Chytridiomykose zum jeweiligen Zeitpunkt. Für die schraffierten Gebiete konnte die Ausbreitung aufgrund fehlender Daten nur geschätzt werden.
Abbildung 10: Malariafälle in Panama und Costa Rica zwischen 1960 und 2021. Die Gesamtbevölkerungszahl ist in beiden Ländern zwischen 1960 und 2021 kontinuierlich angestiegen. In Panama von 1,1 Mio. auf 4,4 Mio. In Costa Rica von 1,3 Mio. auf 5,2 Mio.
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Erklärung
– Skizze verdeutlicht Spannungsänderungen ausgehend vom Ruhepotenzial
– während der Depolarisation strömen Natriumionen ein, bei der Repolarisation strömen Kaliumionen aus, der Na-Einstrom kommt weitgehend zum Erliegen
– bei Natriummangel durch die Chytridiomykose kann die Depolarisation nicht mehr in den üblichen Spannungsbereich ansteigen und auch die Rückkehr in das Ruhepotenzial (Repolarisation und Hyperpolarisation) wird durch Kaliummangel gestört, sodass Chytridiomykose die Membranpotentialänderung stört → Tod durch Lähmung (z. B. Herzstillstand), da keine Aktionspotenziale mehr weitergeleitet werden können
Ableitung
– Amphib – Bd = Parasitismus, da Vergesellschaftungsform zum einseitigen Vor- bzw. Nachteil; Pilz (Parasit) entzieht dem Wirt (Amphibium) Ressourcen zu dessen Schaden (Chytridiomykose) = +/- Beziehung, Wirt versucht seinen Parasiten durch starkes Sonnenbaden auszutrocknen
– Amphib – Bakterien = Symbiose, da Vergesellschaftung zum gegenseitigen Vorteil (+/+ Beziehung), Amphibium erhält Schutz vor dem parasitischen Pilz bzw. wird dieser in seinem Wachstum gehemmt und das Amphibium versorgt im Gegenzug die Hautbakterien mit Ressourcen, sodass beide profitieren
– Bd – Bakterien = Konkurrenz, da Vergesellschaftung zum gegenseitigen Nachteil (-/- Beziehung), da Bd und Bakterien um die begrenzten Ressourcen des Amphibiums konkurrieren; Bakterien setzen dafür antifungale Substanzen ein
Erläuterung
– ein dichteabhängiger Faktor sind beispielswiese Fressfeinde → wenn Arten, die Anopheles fressen, selbst eine hohe Populationsdichte aufweisen, haben sie einen höheren Einfluss auf die Populationsdichten von Anopheles, indem sie deren Populationsdichten senken (Räuber-Beute Beziehung, Lotka-Volterra Regel 1)
– ein dichteunabhängiger Regulationsfaktor ist beispielsweise die Niederschlagsmenge → da Mücken ihre Eier im Wasser ablegen und die Larven dort zum adulten Tier heranwachsen, sind sie auf entsprechende Wasserflächen angewiesen → wenn es stark und langanhaltend regnet, stehen mehr Wasserflächen zur Verfügung, die Populationsdichten von Anopheles steigen
Diskussion
Mögliche Pro-Argumente, z. B.:
– da Amphibien Insekten fressen, kann davon ausgegangen werden, dass auch die Anophelesmücke zum Beutespektrum zählt, sodass ein Rückgang der Räuberpopulation einen Anstieg der Beutepopulation nach sich zog und eine Zunahme der Anophelespopulation in Folge des Auftretens der Chytridiomykose zu erwarten wäre
– da Gattung Anopheles den Malariaerreger verbreitet, kann von den Malariafällen indirekt auf die Populationsentwicklungen aller malariaübertragenden Anophelesarten geschlossen werden
– tatsächlich ist leicht zeitverzögert nach dem Auftreten der Chytridiomykose in Costa Rica (seit ca. 1990) und in Panama (seit ca. 2003) ein starker Anstieg der Malariafälle festzustellen, besonders in Costa Rica waren die Fallzahlen auffällig hoch → dies deckt sich mit dem vorherigen Auftreten der Chytridiomykose (zuerst in Costa Rica in den 1980er Jahren und später in Panama seit den 1990er Jahren) → diese vermehrten Malariafälle könnten ihre Ursache im Rückgang von Amphibienpopulationen durch Chytridiomykose haben, da diese weniger stark regulierend auf die Populationsgrößen von Anopheles eingreifen konnten
Mögliche Contra-Argumente, z. B.:
– die Chytridiomykose ist nur für bestimmte Amphibienarten gefährlich, Arten, die z. B. über Bakterien als Symbiosepartner verfügen, sind weniger stark betroffen, sodass man auf Basis der Ausbreitung nicht sagen kann, wie stark alle Amphibienpopulationen in Costa Rica und Panama zurückgegangen sind
– die Population der Anophelesmücke wird durch eine Vielzahl von Faktoren reguliert, von der die Räuber-Beute-Beziehung zwar einer der wichtigsten ist, Anopheles wird aber nicht nur von Amphibien gefressen
– auch vor dem Auftreten der Chytridiomykose hat es in beiden Ländern starke Malariaausbrüche gegeben, in Costa Rica z. B. in den 1960er Jahren, in Panama z. B. in den 1970er Jahren, obwohl die Gesamtbevölkerungszahl damals in beiden Ländern geringer war als am Ende des 20. Jahrhunderts → periodische Schwankungen, die auch im 21. Jahrhundert weiterhin erkennbar sind, obwohl die Chytridiomykose mittlerweile flächendeckend vorkommt
Abwägen der Argumente